Τι είναι η Κεντρική Δύναμη;

Μια κεντρική δύναμη είναι μια δύναμη με κατεύθυνση και μέγεθος που εξαρτώνται μόνο από το κέντρο ενός αντικειμένου και την απόσταση από το κέντρο του σε άλλο σημείο. Η κατεύθυνση που ασκεί μια κεντρική δύναμη πρέπει να είναι κατά μήκος της γραμμής που ενώνει το κέντρο του αντικειμένου με το άλλο σημείο, ενώ το μέγεθος της δύναμης εξαρτάται μόνο από την απόσταση ή την ακτίνα μεταξύ των δύο. Παραδείγματα κεντρικών δυνάμεων βρίσκονται στη βαρυτική δύναμη, την ηλεκτροστατική δύναμη και τη δύναμη από ένα ελατήριο. Μόνο δύο τύποι κεντρικών δυνάμεων μπορούν να οδηγήσουν σε τροχιακή κίνηση: η βαρυτική δύναμη και η ανάλογη δύναμη.

Ο νόμος του Νεύτωνα για την παγκόσμια έλξη δηλώνει ότι η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο αντικειμένων κατευθύνεται πάντα το ένα προς το άλλο. Επιπλέον, το μέγεθος της δύναμης είναι αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των αντικειμένων – με άλλα λόγια, ο διπλασιασμός της απόστασης μεταξύ των αντικειμένων θα έχει ως αποτέλεσμα μια δύναμη μόλις το ένα τέταρτο της ισχύος. Όταν ένα αντικείμενο είναι πολύ πιο μαζικό από το άλλο, η διάταξη πληροί τα κριτήρια της κεντρικής δύναμης.

Ανάλογη κεντρική δύναμη είναι η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο. Όπως η βαρυτική δύναμη, η ηλεκτροστατική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ δύο σωματιδίων. Σε αντίθεση με τη βαρύτητα, ωστόσο, οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις είναι ανάλογες με το γινόμενο των φορτίων τους και όχι με τις μάζες τους. Τείνουν επίσης να κυριαρχούν σε πολύ μικρές κλίμακες. Μαθηματικά, όμως, το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης και της ηλεκτροστατικής δύναμης ακολουθούν και τα δύο τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου.

Ένα διαφορετικό είδος κεντρικής δύναμης μπορεί να προκύψει από την αλληλεπίδραση ενός ελατηρίου με ένα αντικείμενο. Η δύναμη που παράγει ένα ελατήριο είναι ανάλογη με την απόσταση που τεντώνεται το ελατήριο από το μήκος ισορροπίας του. Το τέντωμα ενός ελατηρίου διπλάσια της απόστασης από το μήκος ισορροπίας του θα έχει ως αποτέλεσμα μια ελκτική δύναμη δύο φορές πιο ισχυρή. Αυτό το είδος συμπεριφοράς είναι γνωστό ως νόμος του Χουκ και παρατηρείται όχι μόνο στα ελατήρια, αλλά σε οποιοδήποτε γραμμικά ελαστικό υλικό – συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων στερεών μετάλλων. Όταν ένα ελατήριο ή ένα κατάλληλο υλικό είναι αγκυρωμένο σε ένα κέντρο, μπορεί επίσης να πληροί τα κριτήρια μιας κεντρικής δύναμης.

Αν και η αύξηση της απόστασης μεταξύ αντικειμένων ή σωματιδίων έχει πολύ διαφορετική επίδραση σε συστήματα που διέπονται από το νόμο του αντίστροφου τετραγώνου έναντι του νόμου του Hooke, και οι δύο αυτές κεντρικές δυνάμεις θα παράγουν κλειστή τροχιακή κίνηση. Πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο λόγω της βαρύτητας, μιας κεντρικής δύναμης που υπόκειται στον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Ομοίως, τα φορτισμένα σωματίδια μπορούν να περιφέρονται γύρω από ένα αντίθετα φορτισμένο κέντρο λόγω της ηλεκτροστατικής δύναμης. Ένα κάπως λιγότερο γνωστό γεγονός είναι ότι ένα κεντρικά αγκυρωμένο ελατήριο μπορεί, όταν άλλες δυνάμεις είναι αμελητέες, να προκαλέσει ένα αντικείμενο σε τροχιά γύρω από το κέντρο. Η απλή αρμονική κίνηση είναι ένα τέτοιο παράδειγμα που περιορίζεται να κινείται μόνο κατά μήκος μιας διάστασης.